cours moulage

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Fonderie

Présentation de la réalisationde préformes par moulage.

LycLycéée Vauban e Vauban –– classes de P.T.S.I. et P.T.classes de P.T.S.I. et P.T.

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Grèce ancienne, vers 450 av. J.C.

Travail du fer au Moyen-Age,Angleterre vers 1543

Moulage, autrefois

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Moulage

RRééfféérences de la prrences de la préésentationsentation

Précis de fonderie, G. Facy et M. Pompidou, AFNOR, 2è édition ;

ENSAM Angers, laboratoire industriel de fonderie ;

Prof. Timothy Gutowski, http://web.mit.edu/course/2/2.810/ts_temp.

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Méthodes de moulage

• Moulage au sableAlliages à haut point de

fusion, géométriescomplexes, état de surface

rugueux

• Moulage de précisionAlliages à haut point de fusion, géométries complexes, surfaces

de rugosité moyenne

• Moulage en coquilleAlliages à haut point de fusion,

géométries moyennementcomplexes, surfaces de faible

rugosité

On sOn s’’intintééressera particuliressera particulièèrement au premier typerement au premier type

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Moulage en moule permanentMoulage en moule non permanent

TMoulage avec modèle partiel (troussage, carcasses et squelettes) ;TMoulage avec modèle permanent ;TMoulage avec plaque modèle ;TMoulage avec noyaux ;TMoulage par centrifugation ;TMoulage avec insertion ;TMoulage en carapace ;TMoulage en moule céramique ;TMoulage avec modèle non permanent ;

TMoulage en coquille par gravité ;TMoulage en coquille sous pression ;TMoulage par centrifugation ;

Les procédés de fonderie

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Moulage au sable

Châssis supérieur

Châssis inférieur

Trou de coulée

Flasque

Sable

Joint de moulage

Empreinte de moulage

Attaque de coulée

Sable

Évent

Carotte

Canald’alimentation

Noyau(sable)

Principe de basePrincipe de base

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Châssis supérieur

Châssis inférieur

Flasque

Pièce Modèle

Sable Noyau

Moulage au sablePrincipe de basePrincipe de base

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Moulage au sableExemples de rExemples de rééalisationalisation

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Moulage avec modèle partiel

Troussage rectiligne Troussage circulaire

Modèle squelette

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Moulage avec modèle permanent

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Moulage avec modèle permanent

ModModèèles en bois et en plastiqueles en bois et en plastique

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Moulage avec modèle permanentPrototypage rapidePrototypage rapide

Le prototypage rapide permet de créer directement le modèle physique à partir du modèle numérique CAO, sous 24 à 48 heures.

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Moulage avec plaque modèle

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Moulage avec plaque modèle

Le V-process est une technique qui a fait son apparition en 1971 et son développement se poursuit encore aujourd’hui.

Le V-process est un procédé de moulage sous vide utilisant un film thermoplastique pour donner la forme du modèle aux deux parties du moule.

PrincipePrincipe

• Les plaques modèles et châssis sont des caissons permettant ainsi la mise en dépression de l’ensemble. • Après chauffage d’un film thermoplastique, celui-ci est déposé sur le caisson modèle et vient plaquer parfaitement le modèle par une mise en dépression. • Le vide étant maintenu sur le modèle, on vient positionner le caisson châssis qui sera ultérieurement raccordé au système déprimogène.

VV--processprocess

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VV--processprocess

Moulage avec plaque modèle

• Le châssis étant rempli de sable extra-silicieux, on provoque des vibrations pour améliorer la compacitédu moule. Après égalisation du sable et pose du film plastique (non chauffé) sur la partie supérieure du moule, le châssis est mis sous dépression. • Pour pratiquer le démoulage, il suffit de supprimer le vide dans le caisson et d’insuffler à la place de l ‘air sous faible pression puis de soulever le châssis.• La seconde partie du moule est réalisé suivant le même processus.

Principe Principe –– suite suite ––

• Pas de préparation (sable sans liant) ;• Bonne perméabilité du moule ;• Hautes précisions géométriques et dimensionnelles des pièces coulées ;• Dépouille non nécessaire ;• Matériaux de moulage bon marché ;• Très bon état de surface ;• Aucune usure des châssis par suite des secousses ou du décochage.

AvantagesAvantages

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Moulage avec noyaux

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Moulage par centrifugation

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Moulage avec insertion

C 45

Ailettes de refroidissementAcier réfractaire

C 25

38 Cr 4

Trou dans une pièce difficilement usinable

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Procédé CroningMoulage en carapace

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Moulage en moule céramique

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Moulage avec modèle non permanent

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Moulage avec modèle non permanent

Machine d’injection de cire

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Moulage avec modèle non permanent

Les débuts du Lost-Foam dans l'industrie remontent aux années 80. Signifiant "Mousse-Perdue", ce procédé est à moule et modèle destructible. Il est essentiellement utilisé dans le domaine de l'automobile car sa rentabilité réside dans la complexité des pièces.

ProcProcééddéé LostLost--FoamFoam

• Pièce sans plan de joint • Moule sans noyau • Sable sans liant • Possibilité de réaliser des pièces complexes

AvantagesAvantages

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Moulage avec modèle non permanentProcProcééddéé LostLost--FoamFoam

• Fabrication du modèle en polystyrène expansé et ses accessoires (les accessoires peuvent être assemblés par collage) • Application d'un enduit (réfractaire) • Disposition du modèle dans un bac que l'on remplit de sable • Répartition du sable dans toutes les cavités par vibrations • Coulée de l'alliage liquide dans le moule ce qui sublime le modèle • Décochage par simple vibration ou insufflation d'air

PrincipePrincipe

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Outillage

ChâssisChâssis

BoBoîîte te àà noyauxnoyaux

Machine de noyautageMachine de noyautage

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Système d’attaque

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Système d’alimentation

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Chantier de moulage

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Principaux matériaux de fonderie

alliages de zinc ;alliages d’aluminium ;alliages de cuivres ;fontes et fontes alliées.

Principaux alliages de fonderiePrincipaux alliages de fonderie

Principaux sables de fonderiePrincipaux sables de fonderie

sables à vert ;sables à prise chimique à froid ;Sables pour procédé croning.

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Moulage en coquille par gravité

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Moulage en coquille sous pression

Demi-coquille fixeDemi-coquille mobile

Éjecteur

Cavité

PistonChemise

Remplissage

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La coquilleuse automatique est un système appartenant à la catégorie du moulage en moules permanents. La seule différence avec la coulée en coquille traditionnelle est l’automatisation de certaines étapes de coulée.

Coquilleuse automatique

•Fermeture et verrouillage de la coquille ; •Coulée par basculement ;•Démoulage des broches et des tiroirs ;•Ouverture du moule ;•Éjection de la pièce.

PrincipePrincipe

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Coulée continue

Cette technique, déjà utilisée en sidérurgie pour obtenir des produits longs, permet la réalisation de profilés de sections pleines ou creuses de forme très variée.L’alliage en fusion contenu dans un four est admis, par gravité, dans une filière ou unecoquille refroidie. A la sortie, une couche solidifiée assure la tenue de l’ensemble, jusquà la fin de la solidification.Une installation comprend : un four de maintien, un moule métallique refroidi, un systèmede maintien et de traction du profilé.

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Fusion des matériaux

Four Four àà inductioninduction

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Simulation numérique

La simulation numérique permet de modéliser le comportement du matériau métallique coulé dans un moule dès les premiers instants du remplissage et ceci jusqu’à la fin du refroidissement du solide dans son empreinte. Avec l’aide des logiciels de simulation numérique, en peut observer les anomalies d’engorgement, les tourbillons, les problèmes de refroidissement, les problèmes de vitesse…

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Simulation numérique

• Définition de la géométrie à l’aide d’un logiciel de CAO ;• Maillage spatial de la géométrie précédente qui sera ainsi découpée en éléments simples ;• Discrétisation temporelle qui, pour obtenir des résultats fiables, devra être la plus fine possible au détriment du temps de calcul ;• Mise en place des conditions initiales ( température, vitesse, pression métallostatique…) ;• Mise en place des condition aux limites (conditions de flux ou de température imposées aux frontières extérieures) ;• Données thermophysiques (conductivité thermique, capacité thermique, masse volumique, enthalpie massique de solidification pour l’alliage coulé…).

Mise en Mise en œœuvre duvre d’’une simulationune simulation

• Température en tout point du maillage ;• Vitesse en tout point du fluide ;• Pression en tout point de l’empreinte ;• Zones contenant un pourcentage donné de solide ou de liquide.

rréésultats physiquessultats physiquesrréésultats nsultats néécessitant cessitant

une interprune interpréétationtation

• Défauts d’écoulement, turbulences, emprisonnement d’air ;• Défauts de retassure.

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ContrôlesLes moules et les noyaux doivent résister aux diverses sollicitations (mécaniques, thermiques, chimiques) durant le processus d’élaboration ainsi que lors de la coulée et de la solidification. En revanche, durant le refroidissement et jusqu’au décochage, la décohésion des matériaux de moulage est recherchée afin d’éviter les contraintes internes dans la pièce moulée et faciliter son extraction.

Différents contrôles permettent la mesure des caractéristiques des matériaux.

Contrôle des sablesContrôle des sables

cohésion

perméabilité

granulométrieLa cohésion d’un sable de fonderie est mesurée par des essais de compression, flexion, traction, cisaillement sur des éprouvettes normalisées.

Les éléments d'un moule de fonderie doivent être perméables aux gaz.

Cette mesure permet de calculer un indice de finesse du sable utilisé ainsi que d'établir on étalement granulométrique.La granulométrie d'un sable se choisit en fonction de l'alliage coulé, de la perméabilité recherchée, de l'état de surface souhaité, etc.

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Contrôles Contrôle des piContrôle des pièècesces

Permet de contrôler les défauts débouchant en surface. Un liquide tensio-actif coloré est appliqué en surface d’une pièce et après essuyage de cette surface, les défauts constituent des réserves de liquide qui, par révélation à la lumière blanche ou ultra-violette, deviennent détectable à l’œil.

Contrôle par ressuage

Contrôle par ultrasons

Contrôle par induction

Le sondage est effectué par un faisceau d’ultrasons émis d’un palpeur en contact avec la pièce à contrôler qui, après réflexion sur les défauts rencontrés et les parois de la pièce, est reçu par un palpeur de réception (le même palpeur peut servir à l’émission et à la réception).

Méthode comparative basée sur les courants de Foucault pour déceler les criques. La pièce à contrôler passe dans l’axe d’un solénoïde, créant un champ d'induction. La pièce est alors le siège de courants électriques créant à leur tour un champ induit, réagissant sur le circuit primaire. Après étalonnage de l’appareil, on décèlera les pièces produisant un flux différent de la pièce étalon.

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Propriétés et défauts de fonderie

Coulabilité (aptitude à remplir le moule) ;Retrait de l’alliage à l’état liquide ;Retrait de l’alliage à l’état solide ;

Retassure (cavité formée durant la phase de solidification due au retrait du métal ) ;Crique (fissures produites par le déchirement du métal au cours du refroidissement) ;Soufflure (trous formés par des bulles de gaz libéré par le métal au cours de sa

solidification) ;Ségrégation (hétérogénéité chimique se produisant à la solidification) ;Contraintes résiduelles (retrait et anisotropie créent des contraintes internes).

PropriPropriééttéés s àà prendre en compteprendre en compte

Principaux dPrincipaux dééfautsfauts

Retassure sur l’hélice du PAN Charles De Gaulle

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Propriétés de fonderie

0,5 à 3Fontes GL4,5Cu-Sn

7 à 10Aciers alliés3,5 à 5Al-Si

5 à 6Zn4Mg

3 à 6Fontes GS6,5Cu-Zn

5 à 7Aciers non alliés7 à 8Al-Cu

Retrait (%)AlliageRetrait (%)Alliage

Retrait des alliagesRetrait des alliages

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Structures métalliquesTrois structures obtenues par moulage dans un moule carrTrois structures obtenues par moulage dans un moule carréé

(a) Métal pur ;(b) Alliage en solution solide ;(c) Structure obtenue en ajoutant

des agents de nucléation.

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Transferts thermiques

= − dTq kdx

Conduction en rConduction en réégime permanentgime permanent

Loi de Fourier unidirectionnelle

Cuivre 394

Aluminum 222

Fer 29

Sable 0.61

Valeurs de k (W/m K)∂ ∂=∂ ρ ∂

2

2

T k Tt c x

Équation différentielle unidirectionnelle

Chaleur nécessaire pour solidifier une longueur s

=

∂⎛ ⎞ρ = − = ⎜ ⎟∂⎝ ⎠ 0x

ds dq TH kdt dt x

Solution de l’équation conduisant à la loi de Chvorinov

⎛ ⎞= α⎜ ⎟⎝ ⎠

n

sVtA

= VsA

Volume à solidifier

Aire enveloppe de V= 1,5 à 2n

α constante temps de solidificationst

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Transferts thermiques

⎛ ⎞≈ ⎜ ⎟⎝ ⎠

2

sVtA

sable solide liquide

T0

TM

xs

Profil approximatif de la solidification d’un métal pur versé àson point de fusion sur la paroi lisse d’un moule en sable.

Moulage au sableMoulage au sable

Temps de la solidificationLoi de Chvorinov

ts : temps de solidification ;V : volume du bloc ;A : aire du bloc.

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≈sVtA

Profil approximatif de la solidification d’un métal pur versé àson point de fusion sur la paroi lisse d’un moule métallique.

Moulage en coquilleMoulage en coquille

Transferts thermiques

moule solide liquide

T0

TM

xs

Temps de la solidificationLoi de Chvorinov

ts : temps de solidification ;V : volume du bloc ;A : aire du bloc.

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Tracé des pièces moulées

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Tracé des pièces moulées

47

Tracé des pièces moulées

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Tracé des pièces moulées

49

Tracé des pièces moulées

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Tracé des pièces moulées

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Tracé des pièces moulées

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Tracé des moules

Poulie Poulie àà fabriquerfabriquer

PiPièèce ce àà obtenir au moulageobtenir au moulage

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Tracé des moules

ModModèèle en deux parties rle en deux parties rééalisaliséé par le modeleurpar le modeleur

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Tracé des moules

Châssis supChâssis supéérieurrieur

Châssis infChâssis inféérieurrieur

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Tracé des moules

ChâssisChâssis

NoyauNoyau

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Tracé des moules

Moule prêt Moule prêt àà être coulêtre couléé

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Tracé des moules

Proposer un tracé de moulage de la pièce ci-contre comprenant :

le tracé du moule ;la position de la surface de joint ;le tracé des (éventuels) noyaux ;le tracé des surépaisseurs d’usinage ;le système de coulée et les évents.

Remarque : toutes les surfaces planes sont fonctionnelles.

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Tracé des moules